Fryse

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Video: frysende vand. På grund af den store hypotermi fryser vandet særlig hurtigt. Stivningen udløses af vibrationer, her ved blot berøring.

Den størkning eller frysning , der i fysikken refereres til overgangen af ​​et stof fra væsken til den faste aggregeringstilstand . I de fleste tilfælde sker dette ved afkøling . Den omvendte proces med størkning smelter . Stivningen finder sted i størkningsintervallet. [1]

Med rene stoffer og konstant tryk finder størkningen altid sted ved en bestemt temperatur , som kaldes frysepunktet ( størkningslinje ). For rene stoffer svarer det nøjagtigt til smeltepunktet . Selvom materialet under størkning afgiver varme ( størkningsvarme ), forbliver temperaturen under overgangen fra væske til faststofkonstant ( latent varme ). Ved størkning krystalliserer mange stoffer sig, hvilket reducerer molekylernes browniske bevægelse . Molekylerne har derfor mindre energi i størknet tilstand end i flydende tilstand, hvilket svarer til en energifrigivelse. [2]

Vand og andre vandige opløsninger fryser, når de bliver til en fast tilstand. [3] Frysning kaldes i daglig tale også bevarelse af mad ved dybfrysning . For legeringer og glas begynder størkning ved liquidustemperaturen og afsluttes ved solidustemperaturen. [1]

Generel

Fasediagram over et "almindeligt" stof og vand

Væsker kan blive til faste stoffer af forskellige årsager og på forskellige måder. Stivningen kan især observeres ved konstant tryk ved afkøling. Hvis det er et rent stof , begynder væsken at størkne, når den når størkningstemperaturen og afkøles først yderligere, når størkningen er fuldført. Stivningstemperaturen er næsten altid identisk med smeltetemperaturen. Et trykændring ved en konstant temperatur kan også føre til størkning. For de fleste stoffer er en stigning i trykket nødvendig for dette, mens med vand og nogle andre stoffer kan en reduktion i trykket også føre til størkning. (Se også vandets anomali ). Kogning og kondensering kan også skyldes ændringer i trykket, men ved størkning er det nødvendigt med væsentligt større trykændringer. Forholdet mellem temperatur og tryk kan ses i fasediagrammer . Det kan også ses der, at størkningslinjen , som adskiller væskeområdet fra det faste område i diagrammet, er stejlere end smeltelinjen mellem væske og gasformig.

Med mange blandinger (og dermed også legeringer ) er der et temperaturområde, størkningsintervallet, hvor stoffet er både fast og flydende. Stivningen begynder ved liquidustemperaturen og slutter ved solidustemperaturen. Begge afhænger af blandingsforholdet eller andelen af ​​legeringselementer og kan også tages fra fasediagrammer.

Stivning kan også ske ved kemiske reaktioner . Dette er tilfældet, hvis f.eks. En væske omdannes til et stof ved stuetemperatur med en størkningstemperatur over stuetemperatur. Fænomenet forekommer også i metallurgi: flydende metaller reagerer med ilt og danner oxider . For eksempel størkner flydende aluminium ved 660 ° C, mens aluminiumoxid stadig er fast ved over 2000 ° C.

Ved størkning frigives energi, størkningen varme . Den samme mængde energi er nødvendig for at smelte stoffet igen ( fusionsvarme ).

Ejendommen ændres

Ved størkning ændres mange fysiske egenskaber pludselig. Næsten alle fysiske egenskaber ændres med temperaturen i et legeme. Så længe kroppen ikke ændrer sin fysiske tilstand, ændres disse egenskaber normalt ikke pludseligt, men kontinuerligt og meget langsomt. Ændringer i volumen, densitet og opløselighed er af særlig betydning.

Volumen og tæthed

De fleste stoffer reducerer deres volumen, når de størkner og øger derfor deres tæthed (masse pr. Volumen) på grund af den konstante masse . Fænomenet er kendt som frysende svind . Vand på den anden side udvider sig, når det størkner. Derfor flyder is på flydende vand, mens de fleste andre stoffer går tabt i smelten. Udvidelsen, når vand fryser, kan få glasflasker fyldt med vand til at briste. Om vinteren siver vand ind i små revner i vejoverfladen og sten, udvider sig og forstørrer dermed disse revner, som er kendt som frostblæsning . Den termiske ekspansion er derimod relateret til temperaturen og ikke til den fysiske tilstand.

I støberiet kan størkningskrympning beskadige støbningerne. Især i tilfælde af emner med en kompleks form blokeres reduktionen af ​​støbningen af ​​formen, hvilket kan føre til revner. Disse er kendt som varme revner og kan også forekomme under svejsning. For at holde krympningen så lav som muligt, tilføjes ofte silicium til støbte legeringer, fordi den udvider sig, når den størkner og dermed delvist kan kompensere for krympningen.

opløselighed

Aluminiumstøbning med porer

Opløseligheden ændres også meget ved størkning. Generelt er et stof mindre og mindre i stand til at opløse et andet stof, når det afkøles. Ved størkning falder opløseligheden imidlertid kraftigt. Hvis urenheder opløses i et stof, kan de fjernes ved hjælp af omkrystallisering eller elektrosmeltningssmeltningsprocessen , da urenhederne hovedsageligt forbliver i det område, der endnu ikke er størknet. I støberiet opløses også gasser ofte i smelten. Hvis smelten afkøles hurtigt, har disse gasser ikke tid nok til at flygte fra smelten og derefter blive i støbningen, hvor de danner bobler og porer, hvilket reducerer støbningens styrke. Når disse støbninger derefter svejses, ekspanderer gasserne i porerne meget og kan dermed beskadige emnet. [4]

Forekomst i naturen og applikationer

Frysning af vand til is er bedst kendt. I naturen forekommer det om vinteren, når søer og andre vandmasser fryser, og når sne og hagl opstår. Ellers fryses der lejlighedsvis vand i husholdningen, f.eks. Til fremstilling af vandis (f.eks. Fra frugtsaft) og isterninger samt til konservering af mad ved dybfrysning . Efter tilberedning kan smeltet smør og andre fedtstoffer størkne igen.

Stivning under svejsning , lodning og støbning er af stor teknisk betydning. Den nøjagtige størkningsproces har stor indflydelse på hårdheden og styrken af ​​støbninger og svejsede samlinger, hvorfor størkning af metaller er blevet undersøgt særlig godt. [5]

Stivelse bruges også til at øge renheden af ​​kemiske stoffer. Omkrystallisering bruges i kemi og elektrosmeltningssmeltningsprocessen i metallurgi. Begge er blandt andet baseret på, at urenhederne ved størkning fortrinsvis forbliver i væsken (smelte).

Når beton og cement størkner , absorberes vand i de respektive byggematerialer, hvilket gør det pulppeagtige udgangsmateriale til et fast stof.

Stivelsessten er stenarter, der dannes, når lava eller magma størkner.

Ved fremstilling af nogle plastmaterialer omdannes et flydende udgangsmateriale til et fast stof ved stuetemperatur gennem en kemisk reaktion. Termohærdninger og polymerisering er vigtige grupper.

metallurgi

Legeringer har som regel ikke en fast temperatur, ved hvilken der sker en faseovergang fra væske til fast stof, men et størkningsområde mellem solidus og liquidus .

Se også

Wiktionary: freeze - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. a b Rau / Ströbel: Metallerne - materialevidenskab med deres kemiske og fysiske grundlæggende . Verlag Neuer Merkur GmbH, 1999, ISBN 978-3-929360-44-8 , s.   95 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning).
  2. Herbert Windisch: Termodynamik En lærebog for ingeniører . Walter de Gruyter, 2014, ISBN 978-3-486-85914-0 , s.   125 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning).
  3. Ulrich Harten: Fysik for læger . Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-642-55273-1 , s.   156 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning).
  4. Günther Schulze: Die Metallurgie des Schweens, Springer, 4. reviderede udgave, 2010, s. 117.
  5. ^ For indflydelse på hårdhed og styrke se Günther Schulze: Die Metallurgie des Schweens , Springer, 4. reviderede udgave, 2010, s. 24. For betydningen af ​​støbning og svejsning se ibid eller Bührig-Polaczek, Michaeli, nummer: Handbuch Urformen kapitel 1.2.1 "Solidification" eller Fritz, Schulze: Fertigungstechnik Springer, 11. udgave, 2015, s. 1725.